水電站水輪機磨蝕原因及防護措施

水電站水輪機磨蝕原因及防護措施［摘要］水輪機中的過流部件，如水輪機葉片、轉(zhuǎn)輪本體、導(dǎo)葉、尾水管等，往往會受到水沙的磨蝕而導(dǎo)致過流部件表面的金屬流失，使設(shè)備在運行中產(chǎn)生振動和噪音，造成設(shè)備運行效率低下、大修頻繁、使用壽命縮短，嚴(yán)重影響機組的穩(wěn)定和安全。文章主要針對水電站水輪機磨蝕原因及防護措施進行探討?！娟P(guān)鍵詞】水輪機過流部件；磨蝕；防護方法水輪機磨蝕是指水輪機在汽蝕破壞與泥沙磨損的聯(lián)合作用下的破壞現(xiàn)象，這個問題長期困擾著運行在多泥沙河流上的水電站。多年來，許多水利水電工程技術(shù)人員和科研工作人員做了大量的研究工作，從磨蝕原因的研究到對磨蝕的防護以及治理措施技術(shù)等方面都取得一定的成果，對我國水輪機應(yīng)用與防護做出了很大的貢獻(xiàn)，但是目前仍然有許多問題難以解決。本文在這里對水輪機的磨蝕以及防護措施加以研究。1、磨蝕發(fā)生機理的研究1氣蝕及其機理汽蝕是指水輪機的過流通道中水壓過低使水汽化產(chǎn)生汽泡和水壓高時汽泡的凝結(jié)破滅過程所引起的一系列物理化學(xué)現(xiàn)象對機器表面的破壞。這種破壞是一種高壓細(xì)射流沖擊、金屬氧化和電解，對機器表面的損壞較為嚴(yán)重。我們經(jīng)常見到的機器表面針孔形狀、麻面和海綿狀等都是由于汽蝕所造成的。汽蝕在機器材料表面的破壞無明顯的方向性，我們不能小看這種破壞，在破壞嚴(yán)重的時候會使水輪機的葉片很快失效。1.2泥沙磨損泥沙磨損是指水流中含有的泥沙對水輪機過流部件造成的磨損破壞。高速含沙水流經(jīng)過部件表面時，會造成摩擦和切削作用，含沙水流沖擊部件表面的瞬間，可產(chǎn)生高溫高壓使金屬表面氧化，急劇的溫度變化會引起金屬保護膜的破壞而導(dǎo)致局部沖蝕。在泥沙的反復(fù)沖擊下，產(chǎn)生交變應(yīng)力加速保護膜的破壞。在沖蝕過程中不同材料的沖蝕規(guī)律隨沖蝕角的變化而異。當(dāng)沖蝕角較低時，材料的沖蝕率有一峰值，這是因為韌性材料的微切削是沖蝕的主要機理，抗沖蝕性能的關(guān)鍵因素是水輪機葉片的彈性模量；此外流速、沙粒直徑和介質(zhì)流態(tài)等也是重要的影響因素。其中激烈的偏流會引起局部流速增大，造成材料的局部損壞增加，偏流還會引起側(cè)向加速度，增加了沙粒和材料表面的接觸應(yīng)力，使材料的沖蝕磨損加劇。1.3磨蝕磨蝕是指在氣蝕與泥沙磨損的聯(lián)合作用下對水輪機部件的破壞作用。汽蝕破壞是針對清水而言的，而泥沙磨損則是針對水中泥沙的破壞而言。實際水流之中總有一定量的泥沙存在，所以水輪機中往往同時存在汽蝕和泥沙磨損的聯(lián)合作用。據(jù)統(tǒng)計，我國已建成水電站中有40%的水輪機存在嚴(yán)重的磨蝕問題，所以人們在關(guān)注汽蝕和泥沙磨損的同時，更加著重研究它們的聯(lián)合作用問題。研究成果指出：含沙水流中由于有大量的固體微粒存在，這些固體微粒具有不平整的表面，在微觀和亞微觀縫隙中藏有不溶于水的氣體，含沙水流的氣穴數(shù)目遠(yuǎn)比清水水流豐富，提前并加劇了汽蝕的發(fā)生。在氣穴爆炸時，氣穴附近的固體顆粒又易受到氣穴爆炸沖擊力的影響而獲得加速度，加大了其對金屬材料的破壞能力。泥沙固有的磨損作用，造成流體邊界條件的變化，即原有的設(shè)計流線被破壞，從而造成其對金屬的磨削現(xiàn)象。2、磨蝕的危害1破壞水輪機的過流部件；2.2降低水輪機的出力和效率，年電能損失增加；2.3水輪機在汽蝕區(qū)運行時，機組會產(chǎn)生強烈震動及負(fù)荷波動，機級運行不穩(wěn)定并引起強烈的噪音；2.4磨蝕縮短了檢修周期，增加了檢修工作的復(fù)雜性和工作量。3、 水輪機過流部件磨蝕的防護1設(shè)計、制造方面首先是在水輪機的設(shè)計以及制造工藝上，設(shè)計符合流態(tài)的葉片形狀，保證作用在葉片上的壓力分布均勻，并采用抗磨蝕材料，例如采用不銹鋼轉(zhuǎn)輪，提高加工光潔度等。其次是在水電站設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)的減沙措施，如修沉池、攔沙檻等，盡量減少過機泥沙。選擇合適的水輪機吸出高度Hs，據(jù)此來決定水輪機安裝的高度以減小汽蝕發(fā)生的幾率。3.2運行方面優(yōu)化水輪機運行條件，合理選擇工作區(qū)，盡量避開在低水頭和低負(fù)荷等容易發(fā)生汽蝕工況下運行。必要時采用補氣裝置，向尾水管補氣，降低真空度，降低氣泡潰滅時產(chǎn)生的沖擊力。從而減輕空腔氣蝕破壞。3.3檢修方面堆焊。堆焊是我國采用較多的一種抗磨蝕處理方法，它的主要優(yōu)點是設(shè)備簡單、技術(shù)成熟、現(xiàn)場施工方便。長期以來，在各個電站普遍采用，尤其是中小型電站上。目前，用于水輪機抗磨蝕堆焊的焊條主要有高銘鑄鐵型、高Cr-Mn奧氏體型、Cr一Ni奧氏體不銹鋼型和低氫馬氏體不銹鋼型等，其中0Cr13Ni4--6MoRe系列低氫馬氏體不銹鋼焊條具有較好的抗磨蝕性能，其抗磨蝕能力為1Crl8Ni9Ti(A102)的2倍左右。堆焊法可使焊層與基體形成冶金結(jié)合，且結(jié)合強度高。但該方法沖淡率大，焊層厚且不均勻，加工量大，對基體材料的可焊性要求高，不易保證流道型線，焊后容易產(chǎn)生變形，并可能對過流部件產(chǎn)生熱影響而降低部件的機械強度等性能噴焊。在水輪機磨蝕方面修復(fù)另外常用的一種方法是噴焊法。噴焊法是在噴涂和堆焊基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種表面防護技術(shù)，利用氧氣乙炔火焰配合專用噴焊槍，將具有特殊性能的自熔合金粉末噴焊到工件基體表面，形成一層均勻的保護。在這個過程中，由于噴焊層經(jīng)過重熔過程，所以與基體形成冶金結(jié)合。其結(jié)合強度可高達(dá)(300?500)MPa，覆層為致密無孔的鑄態(tài)結(jié)晶組織，具有材料省和效率高等優(yōu)點。非金屬涂層法。為了解決水輪機嚴(yán)重磨蝕的問題，在選用非金屬材料方面，可以使用環(huán)氧(EP)金剛砂、S80(美國)、聚氨酯(PU)橡膠(德國)、熱噴涂尼龍和高分子聚乙烯等材料。非金屬涂層屬于高分子材料，可用于水輪機活動導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪室、葉片正面和頭部等非氣蝕區(qū)。目前，我國用于水輪發(fā)電機過流部件的非金屬保護涂層主要有環(huán)氧(EP)聚合物、復(fù)合尼龍和聚氨酯(PU)系列。環(huán)氧金剛砂由環(huán)氧樹脂為主體輔以多元醇縮水甘油醚為活性稀釋劑，加同化劑組成。環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的粘接力，并且施工工藝簡易，可在常溫下施工。在加溫至(50?60)°C時與鋼鐵的粘接抗拉強度為(40?60)Mpa，剪切強度為(20?35)Mpa。加入剛性填料金剛砂后抗磨性能優(yōu)異，抗磨系數(shù)是30#鋼的2倍，耐磨蝕性能相當(dāng)于30#鋼。復(fù)合尼龍粉末為灰白色粉末，由高分子材料尼龍、環(huán)氧和多種添加劑經(jīng)復(fù)合處理混合而成，既具有尼龍材料的耐磨、耐沖擊性能，又兼?zhèn)洵h(huán)氧的優(yōu)異的粘接性能。粉末噴涂在表面經(jīng)過噴沙處理加熱至200°C左右的轉(zhuǎn)輪上，粉末噴涂就熔融流平形成保護層，經(jīng)固化成膜。具有優(yōu)良的耐磨蝕性能，其抗磨系數(shù)是30#鋼的2?3倍，耐磨蝕性能是30#鋼的1.5倍，粘接強度達(dá)60MPa以上，剪切強度35MPa。聚氨酯橡膠抗磨涂層具有彈性和韌性，能吸收汽蝕破壞能量，對磨損和汽蝕作用起到以柔克剛的效果?？蛊g能力是1Cr18Ni8的1.5倍，抗磨損能力是鑄鐵的22?24倍，抗腐蝕能力是1Gr13的1.26?1.54倍，是0Cr13Ni4Mo的1.10?1.24倍。以上幾種非金屬涂層材料噴涂于水輪機葉片等工件表面，能有效抵御流體中泥沙顆粒及空蝕的破壞。從而使工件使用壽